KR900008599B1 - Multimode fiber optic rotation sensor - Google Patents
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Abstract
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Description
제1도는 광원으로부터의 광선이 결합되는 단일의 연속적인 광학섬유 가닥과, 이러한 단일의 연속적인 가닥으로부터 형성된 다중모우드 감지루우프와, 또한 광학섬유 루우프를 통해 역방향으로 전파되는 광파들 사이의 위상차를 검출하기 위한 검출시스템을 도시한, 본 발명의 회전감지기의 개략도.Figure 1 detects the phase difference between a single continuous optical fiber strand to which light rays from a light source are coupled, a multimode sense loop formed from this single continuous strand, and also the light waves propagating in the reverse direction through the optical fiber loop. A schematic diagram of a rotation sensor of the present invention, showing a detection system for the purpose of doing so.
제2도는 예시적인 모우드 쌍에 대하여, 역방향 전달파가 광학섬유 루우프를 통과할 때의 이 역방향 전달파의 전계 성분을 도시한, 광학섬유 루우프(16)의 개념모델의 개략도.2 is a schematic diagram of a conceptual model of an
제3도는 역방향 전달파가 광학섬유 루우프를 통과한 후에 이 역방향 전달파의 전계 성분을 도시한, 제2도의 개념 모델의 개략도.FIG. 3 is a schematic diagram of the conceptual model of FIG. 2 showing the electric field component of the backward wave after the backward wave passes through the optical fiber loop.
제4도는 제3도에 도시한 전계 성분들에 의한 직류항들의 백터합을 나타내는 실축상의 벡터와, 제3도에 도시한 전계 성분들에 의한 간섭항들의 벡터합을 나타내며 페이저법에 따라 회전하는 또 하나의 벡터를 도시하고, 또한 (1) 회전식으로 유도된 사그낙(Sagnac)위상차와 (2) 비회전식으로 유도된 위상차에 의해 생긴 위상오차에 대한 간섭항을 나타내는 백터의 응답을 도시한, 광학적 출력신호의 벡터도.FIG. 4 shows a vector of the real axis representing the vector sum of the direct current terms by the electric field components shown in FIG. 3, and the vector sum of the interference terms caused by the electric field components shown in FIG. Another vector is shown, and also the response of the vector representing the interference term for phase error caused by (1) rotationally induced Sagnac phase difference and (2) nonrotationally induced phase difference. Vector diagram of output signal.
제5도는 비회전식으로 유도된 위상오차의 효과를 도시한, 사그낙 위상차 대 검출기에의해 측정된 광학세기의 관계를 나타내는, 제4도의 벡터도에 대응하는 그래프.FIG. 5 is a graph corresponding to the vector diagram of FIG. 4 showing the relationship between the Sagnak phase difference versus the optical intensity measured by the detector, showing the effect of nonrotating induced phase error.
제6도는 그룹 Ⅲ의 전계 성분들로부터 생기는 간섭항의 벡터도.6 is a vector diagram of an interference term resulting from the electric field components of group III.
제7도는 제6도에 도시된 2개의 벡터의 벡터합을 나타내는 합성 벡터 및 이러한 합성 벡터에 관련된 위상오차를 도시한 벡터도.FIG. 7 is a vector showing a vector sum of two vectors shown in FIG. 6 and a phase error associated with the vector.
제8도는 제6도의 벡터가 동일한 크기일 경우를 도시한 벡터도.FIG. 8 is a vector diagram showing the case where the vectors of FIG. 6 have the same size. FIG.
제9도는 벡터의 크기를 동일하게 함으로써 위상오차들이 제거될 수 있음을 도시한, 제8도의 벡터들의 벡터합을 나타내는 합성 벡터의 벡터도.FIG. 9 is a vector diagram of a composite vector representing the vector sum of the vectors of FIG. 8, showing that phase errors can be eliminated by making the magnitude of the vector the same.
제10도는 제1도의 결합기들 사이로 뻗어나가는 광학섬유부분을 도시하고, 이 결합기들 사이에 삽입된 이송홀로그래프(holograph)를 포함하는 휠터를 도시한 개략도.FIG. 10 is a schematic view showing a portion of an optical fiber extending between the couplers of FIG. 1, the filter comprising a transfer hologram inserted between the couplers.
제11도는 제10도의 이송 홀로그래프 휠터를 만들기 위한 기술을 도시한 개략도.FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a technique for making the transport holographic filter of FIG. 10. FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : 광원 11, 17 및 19 : 광학섬유10: light source 11, 17 and 19: optical fiber
12 : 제1방향성 결합기 14 : 제2방향성 결합기12: first directional coupler 14: second directional coupler
16 : 루우프 20 : 광검출기16: loop 20: photodetector
22 : 검출 전자회로 24 : 록크-인(lock-in) 증폭기22
26 : 신호발생기 28 및 40 : 위상변조기26:
70 : 휠터 80 및 82 : 광학섬유70:
84 : 홀로그래프 판.84: holographic plate.
본 발명은 광학섬유 회전감지기에 관한 것으로서, 특히 다중모우드 광학섬유 감지루우프를 가진 사그낙(Sagnac) 간섭계를 사용하는 광학섬유 회전감지기에 관한 것이다.The present invention relates to an optical fiber rotation sensor, and more particularly, to an optical fiber rotation sensor using a Sagnac interferometer having a multimode optical fiber sensing loop.
본 특허 출원은 "다중모우드 광학섬유 회전감지기"란 명칭으로 1981년 11월 6일자 출원인 미합중국 특허원 제318,813호의 연속 특허출원이다.This patent application is a continuation patent application of US Patent Application No. 318,813, filed November 6, 1981, entitled "Multimode Optical Fiber Rotational Sensor."
광학섬유 회전감지기는 광파들이 루우프의 주위에서 반대 방향으로 전파되도록 결합되는 광학섬유 물질의 루우프를 포함하는 것이 전형적이다. 루우프가 회전하면, 공지된 "사그낙 효과"에 따라서 역방향 전달파들 사이에 위상차를 발생시키게 되는데, 이 위상차의 크기는 루우프의 회전속도에 대응한다. 역방향 전달파들이 재결합되면 이들 역방향 전달파들이 서로 건설적으로 혹은 파괴적으로 간섭하게 되므로, 루우프의 회전 속도에 따라 세기가 변하하는 광학적 출력신호가 발생된다. 이 광학적 출력신호를 검출하면 회전감지가 이루어질 수 있다.Fiber optic rotation sensors typically include a loop of fiber optic material that is coupled such that light waves propagate in opposite directions around the loop. When the loop rotates, a phase difference is generated between the reverse propagation waves according to the known "Sagnak effect", and the magnitude of the phase difference corresponds to the rotation speed of the loop. When the backward propagation waves are recombined, these backward propagation waves constructively or destructively interfere with each other, thereby generating an optical output signal whose intensity varies according to the rotational speed of the loop. Rotational sensing can be achieved by detecting this optical output signal.
회전식으로 유도된 사그낙 위상차를 정확하게 검출하기 위하여서는, 광학섬유의 물리적 특성(예를 들어, 광학섬유의 복굴절성)에 의해 생긴 비회전식으로 유도된 위상차가 실질적으로 제거되어야만 하는데, 왜냐하면 이러한 위상차가 사그낙 위상차와 구별될 수 없으므로 광학적 출력신호내에 위상오차가 나타나게 되기 때문이다. 루우프가 휴지(休止)상태일 때 역방향 전파들의 광학경로가 동일하게 되어 상기 비회전식으로 유도된 위상차가 제거될 경우에 간섭계를 "가역적"이라고 하고, 이 경로들이 동일하지 않으면 간섭계를 "비가역적"이라고 한다.In order to accurately detect the rotationally induced Sagnak phase difference, the non-rotationally induced phase difference caused by the physical properties of the optical fiber (e.g., birefringence of the optical fiber) must be substantially eliminated, because this phase difference This is because a phase error appears in the optical output signal because it cannot be distinguished from the phase difference. The interferometer is referred to as "reversible" when the optical paths of the reverse propagation are the same when the loop is at rest and the non-rotatively induced phase difference is eliminated, or the interferometer is "irreversible" if these paths are not identical. It is called.
광학섬유 간섭계형 회전감지기의 비가역성은 2개의 요인에 의해 생긴다. 첫째, 광학섬유는 여러 가지의 상이한 기본 모우드(예컨대, HE11모우드, TE10모우드 등)을 유지할 수 있으며, 각각의 모우드는 전파속도 혹은 위상속도가 상이하기 때문이다(본 명세서의 경우에, 하나의 모우드는 광학섬유를 통하는 특정한 광학경로로 볼 수 있다). 둘째, 광학섬유의 복굴절성은 광학섬유에 따라 균일하지 않고, 따라서 모우드들 사이에 광에너지의 결합이 존재하게 되기 때문이다. 이와같은 2개의 요인들이 존재하면, 각각의 역방향 전달파들이 광학섬유 루우프주위의 상이한 광학경로로 이동하게 되므로, 역방향 전달파들이 재결합되면 이 사이에 위상차가 있게 된다. 사그낙 위상차보다 몇 차수(次數) 큰 크기로 될 수 있는 이 이상차는 회전식으로 유도된 사그낙 위상차와 구별될 수 없으므로, 그 자체가 광학적 출력신호의 오차인 것으로 나타난다. 이때, 상기 2개의 요인들이 각각 존재하여서는 가역성을 파괴시키지 못한다는 사실이 중요하다. 상기 2개의 요인들이 모두 존재하여야만 비가역성이 나타나게 되는 것이다.The irreversibility of an optical fiber interferometer type rotation sensor is caused by two factors. First, the optical fiber can hold several different basic modes (e.g., HE 11 mode, TE 10 mode, etc.), since each mode has a different propagation rate or phase velocity (in this case, one Mode can be seen as a specific optical path through the optical fiber). Second, the birefringence of the optical fiber is not uniform according to the optical fiber, and therefore there is a coupling of light energy between the modes. If these two factors are present, each reverse propagation wave will travel to a different optical path around the optical fiber loop, so that when the reverse propagation waves recombine, there is a phase difference between them. This outlier, which can be several orders of magnitude larger than the Sagnak phase difference, is indistinguishable from the rotationally induced Sagnak phase difference, and thus appears to be an error in the optical output signal itself. At this time, it is important that the two factors do not exist in each case to destroy reversibility. Both of these factors must be present in order for the irreversibility to appear.
종래의 기술에 있어서는, 단 1개의 기본 전달모우드(즉, HE11모우드)를 갖고 있는 단일 모우드 광학섬유를 이용함으로써 가역성 조건을 만족시키도록 노력하여 왔다. 단일 모우드 광학섬유를 사용하면 이론적으로는 제1의 요인을 제거시켜 가역성을 나타내는 것으로 되지만, 실제로는 단일 모우드 광학섬유에는 거의 퇴화된 2개의 직교 편광 모우드(즉, 전파 위상속도가 약간 상이한 직교 편광모우드)가 있다는 사실을 알게 되었다. 이러한 전파속도의 차이는 매우 작지만, 단일 모우드 광학섬유 회전감지기의 비가역적 동작을 야기시키기에는 충분하다. 이와 같은 문제는, 예를 들어 "옵틱스 레터즈(Optics Letters)", 제4권, 152페이지(1979년 4월)에 알.울리치(R.Ulrich)와 엠. 존슨(M.Johnson)이 "광학섬유 링 간섭계 편광분석(Fiber Ring Interferometer Polarization Analysis)"이란 명칭으로 기술한 바와 같이, 광학섬유 편광기를 이용하여 단일 모우드 광학섬유의 2개의 편광 모우드중의 한 모우드를 차단시킴으로써 종래의 기술에서 해결되었다.In the prior art, efforts have been made to satisfy reversible conditions by using a single mode optical fiber having only one basic transfer mode (ie HE 11 mode). The use of single-mode optical fibers would theoretically indicate reversibility by eliminating the first factor, but in practice a single-mode optical fiber had two orthogonal polarization modes (ie, orthogonal polarization modes with slightly different propagation phase velocities). I found that This difference in propagation speed is very small, but is sufficient to cause irreversible operation of a single mode fiber optic rotation sensor. This problem is described, for example, in "Optics Letters", Volume 4, page 152 (April 1979) by R. Ulrich and M. As described by M.Johnson as "Fiber Ring Interferometer Polarization Analysis," an optical fiber polarizer is used to detect one of the two polarizing modes of a single mode optical fiber. It was solved in the prior art by blocking.
그러나, 회전의 감지를 위해 다중모우드 광학섬유를 사용하는 것은 거의 관심을 끌지 못하였는데, 이것은 다중 모우드내의 모우드 개수가 많고 또한 전파속도가 상이하기 때문이다. 계단식 인덱스(step index) 다중 모우드 광학섬유가 아닌 경사식 인덱스(graded index) 다중모우드 광학섬유를 이용하면 모우드들 사이의 전파 속도의 차이를 감소시킬 수 있으나, 이 2가지 형태의 광학섬유에 있어서의 전파속도의 차이는 상당히크므로, 다중모우드 광학섬유들은 회전감지기에 사용하기에 적합하지 않은 것으로 지금까지 간주되어 왔다. 이 문제는 또한, 거의 동일하나 정확하게 동일하지 않은 전파속도를 가진 일련의 모우드 패턴(본 명세서에서는, "일반화된 편광모우드"라고 언급되어 있다)이 다중모우드 광학섬유의 각각의 기본 모우드내에 존재한다는 사실에 의해 더욱 복잡해진다. 특정한 기본 모우드내의 일반화된 편광모우드들 사이의 전파속도의 차이는 경사식 인덱스 다중모우드 광학섬유의 기본 모우드들 사이의 전파속도의 차이와 동일한 차수와 크기를 갖는 것이 전형적이다. 다중모우드에는 모우드의 개수가 많고(어떤 경우에는 수천개), 또한 이에 따른 전파 속도상의 문제점 때문에, 지금까지는 하나의 다중모우드 광학섬유를 이용한 사그낙 간섭계 히전감지기에서 가역성을 얻어내는 것이 불가능하거나 혹은 적어도 비실용적인 것으로 인식되어 왔다.However, the use of multiple mode optical fibers for sensing rotation is of little interest because of the large number of modes in the multiple modes and the different propagation speeds. The use of graded index multimode optical fibers, rather than step index multimode optical fibers, can reduce the difference in propagation speed between the modes, but in these two types of optical fibers Since the difference in propagation speed is quite large, multimode optical fibers have been considered to be unsuitable for use in rotational sensors. The problem is also the fact that a series of mode patterns (referred to herein as "generalized polarization modes") with nearly identical but not exactly the same propagation velocity exist within each basic mode of the multimode optical fiber. Further complicated by. The difference in propagation speed between generalized polarization modes within a particular base mode is typically of the same order and magnitude as the difference in propagation speed between the base modes of the gradient index multimode optical fiber. Due to the large number of modes in the multimode (thousands in some cases) and the resulting propagation speed issues, it has so far been impossible or at least impractical to achieve reversibility in a Sagnak interferometer detector using one multimode optical fiber. Has been recognized.
본 발명의 회전감지기는 사그낙 간섭계 형태로 루우프를 형성하는 다중모우드 광학섬유의 연속적인 하나의 가닥을 포함한다. 또한, 루우프를 패쇄시키고 한쌍의 역방향 전달파를 루우프에 결합시키기 위하여 광학섬유 방향성 결합기가 사용된다. 이 결합기는 루우프를 통과한 역방향 전달파를 재결합시켜서 광학적 출력 신호를 형성하며, 이 광학적 출력신호는 광검출기에 인가된다. 루우프를 회전시키면 역방향 전달파들 사이에 위상차가 생기게 되어, 회전속도에 따라 광학적 출력신호의 크기를 변화시키게 된다. 광학적 출력신호를 검출하면, 회전속도를 직접 알 수 있게 된다.The rotation sensor of the present invention comprises one continuous strand of multimode optical fibers forming a loop in the form of a Sagnak interferometer. In addition, an optical fiber directional coupler is used to close the loop and couple the pair of backward propagation waves to the loop. The combiner recombines the reverse propagation wave passing through the loop to form an optical output signal, which is applied to the photodetector. Rotating the loop creates a phase difference between the reverse propagation waves, which changes the magnitude of the optical output signal according to the rotational speed. By detecting the optical output signal, the rotational speed can be known directly.
비회전식으로 유도된 위상차에 의해 역방향 전달파들 사이에 나타난 광학적 출력신호내의 위상오차는, (1) 전파 모우드들 사이의 광학경로 길이의 차이보다 짧은 간섭길이를 가진 광선을 이용하고, (2) 거의 모든 광학적 출력신호가 검출기 표면에 인가되도록 충분히 큰 검출기를 이용하며, (3) 각각의 전파 모우드내의 전계 진폭이 거의 동일하도록 광선을 다중모우드 광학섬유에 결합시킴으로써, 체계적으로 감소되거나 제거될 수 있다. 위상오차를 이와 같이 감소시키거나 제거시키면 회전식으로 유도된 사그낙 위상오차를 검출할 수가 있으므로, 실용적으로 유용한 다중모우드 회전감지기를 얻을 수 있게 된다.The phase error in the optical output signal exhibited between the reverse propagation waves by the non-rotationally induced phase difference uses (1) light rays with an interference length shorter than the difference in the optical path length between the propagation modes, and (2) By using a detector large enough so that all optical output signals are applied to the detector surface, and (3) combining light rays into the multimode optical fiber such that the field amplitude in each propagation mode is approximately equal, it can be systematically reduced or eliminated. Reducing or eliminating the phase error in this way can detect the rotationally induced sagnak phase error, thereby obtaining a practically useful multi-mode rotation sensor.
본 발명의 다중모우드 광학섬유 회전감지기는 놀라울 정도로 안정하므로, 온도 또는 진동 등과 같은 주변 요인에 의해 나타난 광학섬유 복굴절성의 변화에 대해 비교적 둔감하다. 광학섬유 복굴절성의 변화로 인한 모우드들 사이의 위상 변화 및 결합은 모우드들에 걸쳐 평준화되므로, 광학적 출력신호에 대한 주변요인의 전체적인 효과는 매우 작아진다. 광학적 출력신호의 안정도는 모우드 개수의 함수이므로, 많은 수의 모우드들을 유지하는 광학섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 계단식 인덱스 다중모우드 광학섬유는 동등한 크기의 경사식 인덱스 광학섬유보다 더 많은 모우드들을 유지할 수 있기 때문에, 본 발명에서는 계단식 인덱스 다중모우드 광학섬유를 사용하는 것이 바람직하다.The multimode optical fiber rotation sensor of the present invention is surprisingly stable and therefore relatively insensitive to changes in optical fiber birefringence exhibited by peripheral factors such as temperature or vibration. Since the phase change and coupling between the modes due to the change of the optical fiber birefringence is leveled across the modes, the overall effect of the peripheral factor on the optical output signal is very small. Since the stability of the optical output signal is a function of the number of modes, it is desirable to use optical fibers that hold a large number of modes. At this time, since the stepped index multi-mode optical fiber can hold more modes than the equivalent sized gradient index optical fiber, it is preferable to use the stepped index multi-mode optical fiber in the present invention.
본 발명의 다중모우드 광학섬유 회전감지기는 기존의 단일 모우드 광학섬유 회전감지기에 비하여 우수한 장점을 갖고 있다. 가장 중요한 장점들중의 하나는, 다중모우드 광학섬유 및 다중모우드 구성부품(예, 결합기)는 단일 모우드 광학섬유 및 그 구성부품보다 더욱 용이하고 더욱 저렴한 가격으로 가공될 수 있기 때문에, 제조비가 싸다는 것이다. 또한, 본 발명에서는 공간적으로 비간섭성인 광선이 사용될 수 있기 때문에, 본 발명의 회전감지기에서는 공간적 간섭길이가 긴 값비싼 레이저가 아니라 값이 싼 발광 다이오드(LED)를 광원으로서 사용할 수 있다는 것이다.The multimode optical fiber rotation sensor of the present invention has an advantage over the conventional single mode optical fiber rotation sensor. One of the most important advantages is that manufacturing costs are lower because multimode fiber and multimode components (eg, combiners) can be processed more easily and at a lower cost than single mode fiber and its components. will be. In addition, since spatially incoherent light rays can be used in the present invention, in the rotation sensor of the present invention, an inexpensive light emitting diode (LED) can be used as a light source instead of an expensive laser having a long spatial interference length.
또 다른 장점은 다중모우드 광학섬유 감지루우프가 커어(Kerr)효과의 영항을 덜 받는다는 것인데, 왜냐하면 본 발명에 있어서는 많은 수의 모우드들에 걸쳐 커어효과가 공간적으로 평준화되기 때문이다. 이렇게 영향을 덜 받게되는 다른 이유는, 다중모우드 광학섬유의 코어의 직경이 크기 때문에 광학섬유내의 광학 세기가 작아지기 때문이다. 또한, 광학섬유의 전형적인 복굴절성은 파라데이효과에 의해 유도된 복굴절성보다 크기 때문에, 다중모우드 광학섬유는 외부 자계에 의해 유도될 수 있는 파라데이효과에 덜 민감하다. 실제로, 다중모우드 광학섬유의 선형 복굴절성은 파라데이효과에 의해 유도된 원형 복굴절성을 압도한다. 그리고, 다중모우드 회전감지기는, 이에 대응하는 단일 모우드 감지기에서와 마찬가지로, 광학섬유 물질의 연속적인 단일 가닥을 사용하는 전체 광학섬유 시스템으로서 제조될 수 있다.Another advantage is that the multimode optical fiber sensing loop is less affected by the Kerr effect, because in the present invention the larger effect is spatially leveled across a large number of modes. Another reason to be less affected is that the optical intensity in the optical fiber is reduced because of the large diameter of the core of the multimode optical fiber. In addition, since the typical birefringence of the optical fiber is larger than the birefringence induced by the Faraday effect, the multimode optical fiber is less sensitive to the Faraday effect which can be induced by an external magnetic field. Indeed, the linear birefringence of multimode optical fibers overwhelms the circular birefringence induced by the Faraday effect. And, a multimode rotation sensor can be manufactured as an entire optical fiber system using a continuous single strand of optical fiber material, as in the corresponding single mode detector.
본 발명의 제2실시예에서는, 상술한 비회전식으로 유도된 위상오차를 제거시키기 위해 이송 홀로그램을 포함한 모달(modal) 휠터가 사용된다. 이 홀로그래프 휠터는 광원으로 부터의 광선이 루우프로 향할 때에 이 휠터를 통과하고 또 검출기로 돌아갈때도 이 휠터를 통과하도록 배열됨으로서, 다중모우드 광학섬유내의 단 하나의 모우드만을 이용하고 있다.In a second embodiment of the present invention, a modal filter including a transfer hologram is used to eliminate the non-rotationally induced phase error described above. The holographic filter is arranged to pass through the filter when the light beam from the light source is directed to the loop and then through the filter when returning to the detector, utilizing only one mode in the multimode optical fiber.
이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the present invention in more detail.
제1도에 도시한 바람직한 실시예에 있어서, 본 발명의 회전감지기는 다중모우드 광학섬유(11)의 연속적인 단일 가락 또는 속(束)에 CW 광파를 삽입시키기 위한 광원(10)을 포함한다. 본 명세서에 사용된 "다중모우드 광학섬유"라는 용어는 특정한 광원에 대해 광학섬유가 다수의 기본 모우드로 유지됨을 의미하는 것으로서, 하나의 광원에 대해 단 1개의 기본모우드를 유지함을 의미하는 단일모우드 광학섬유와 대립되는 용어이다. 광학섬유(11)은 제1방향성 결합기(12)의 출입구(A), (C) 및 제2방향성 결합기(14)의 출입구(A), (C)를 통과한다. 즉, 광학섬유(11)은 광원(10)으로부터의 결합기(12)의 입구(A)를 거쳐 결합기(12)의 출구(C)로부터 결합기(14)의 입구(A)로 뻗어나간다. 결합기(14)의 출구(C)에서 뻗어나온 광학섬유(11)의 부분은 루우프(16)에 감긴다. 한가지 예로서, 루우프(16)은 각각 약 150㎠의 단면을 갖는 1000개의 권선으로 구성될 수도 있다. 루우프(16)로 부터의 광학섬유(11)의 단부는 결합기(14)의 출입구(D), (B)를 통과하는데, 결합기(14)의 입구(D)는 루우프(16)쪽으로 형성되어 있다. 결합기(14)의 출구(B)를 빠져나온 광학섬유(11)의 작은 부분(17)은 접속됨이 없이 비반사적으로 종료된다.In the preferred embodiment shown in FIG. 1, the rotation sensor of the present invention includes a light source 10 for inserting CW light waves into a continuous single cycle or core of the multimode optical fiber 11. As used herein, the term " multimode optical fiber " means that the optical fiber is maintained in multiple base modes for a particular light source, which means that only one base mode is maintained for one light source. The term is opposed to fibers. The optical fiber 11 passes through the entrances A and C of the first
제2의 광학섬유(19)는 결합기(12)의 출입구(D), (B)를 통과한다. 출구(D)로부터 돌출한 광학섬유(19)의 부분은 접속됨이 없이 비반사적으로 종료된다. 그러나, 결합기(12)의 출구(B)로부터 돌출한 광학섬유(19)의 부분은, 인가된 광선의 세기에 비례하는 출력신호를 발생시키기 위한 광검출기(20)에 광학적으로 결합된다.The second optical fiber 19 passes through the entrances D and B of the
본 발명은 또한 록크-인 증폭기(24)와 신호발생기(26) 및 위상변조기(28)로 구성된 검출 전자회로(22)도 포함한다. 한가지 예로서, 위상변조기(28)은 광학섬유 루우프(16)의 일부분이 예컨대 4회 내지 10회정도 감길 수 있도록, 예를 들어 약 1내지 2인치의 직경을 가진 PZT 실린더로 구성될 수도 있다. 광학섬유는 적당한 접착제에 의해 PZT 실린더(28)에 접착되므로, 광학섬유(11)은 실린더(28)이 방사상으로 연장될 때 길게 신장된다. 이때, 위상변조기(28)은 신호발생기(26)으로부터 도선(30)상에 제공되는, 예를 들어 10내지 100KHz의 주파수를 갖고 있는, AC변조신호에 의해 구동된다. 검출 전자회로(22)가 적절히 동작하기 위해서는, 위상 변조기(28)이 감지 루우프(16)의 중심부가 아니라 루우프(16)의 한쪽 측면상에, 예를 들어 결합기(14)의 입구(D)에 인접하게 배치되어야 함이 중요하다.The invention also includes a
신호발생기(26)으로부터의 AC 변조신호는 도선(32)를 통해 록크-인 증폭기(24)에도 공급된다. 도선(34)는 검출기(20)의 출력신호를 수신하도록 록크-인 증폭기(24)에 접속되어 있다. 이 증폭기는, 변조주파수에서의 검출기의 출력신호를 동기적으로 검출하도록 증폭기(24)를 동작시키기 위한 기준으로서, 신호발생기(26)으로 부터의 변조신호를 이용한다. 따라서, 증폭기(24)는 위상변조기(28)의 기본 주파수(즉, 제1조파 주파수)에서 대역통과휠터로서의 역할을 효과적으로 수행함으로써, 이 주파수의 다른 모든 조파들을 차단시킨다. 이 분야에 숙련된 기술자들에게는, 검출기의 출력신호의 상기 조파성분의 크기는 동작범위 전반에 걸쳐서 루우프(16)의 회전속도에 비례한다는 것이 쉽게 이해될 것이다. 증폭기(24)는 이 제1조파성분에 비례하는 신호를 출력시키므로, 증폭기(24)는 회전속도를 직접 표시하게 된다.The AC modulated signal from the signal generator 26 is also supplied to the lock-in
검출 전자회로(22)에 대한 더욱 상세한 설명은 "광학섬유 회전감지기"란 명칭으로 1982년 10월 14일 공개번호 제 WO 82/03456호로 공개되고 본 명세서에 참고문헌으로서 사용된 국제 특허 출원 제 PCT/US 82/00400호에 기술되어 있다. 이러한 검출시스템은 "옵틱스 레터즈" 제6권, 제10호(1981년 10월) 502-504 페이지에도 또한 기술되어 있다. 본 발명에 사용하기에 적당한 또다른 검출시스템은 SPIE 제157권 131-136페이지에 수록된 제이. 엘. 데이비스(J.L. Davis)와 에스. 에제키이엘(S. Ezekiel)의 논문 "레이저 관성 회전감지기(Laser Inertial Rotation Sensors)" (1978년)에 기술되어 있다.A more detailed description of the
광학섬유(11)로서 이용되는 다중모우드 광학섬유의 형태 및 종류는 본 발명의 동작에 중요한 요소가 아니다. 그러므로, 계단식 인덱스나 경사식 인덱스의 어느 형태로 된 다중모우드 광학섬유가 사용될 수 있다. 그러나, 온도나 진동등과 같은 주변 영향에 대한 감수성의 관점에서의 회전감지기의 성능은 모우드 개수의 함수로서 나타난다. 그러므로, 동등한 크기의 경사식 인덱스 광학섬유보다도 더 많은 모우드들을 유지할 수 있는 계단식 인덱스의 다중모우드 광학섬유가 바람직하다. 도시한 실시예에서, 광학섬유(11)은 코어의 직경이 약 50미크론인 계단식 인덱스 다중모우드 광학섬유로 구성되어 있으며, 광학섬유(19)는 이 광학섬유(11)과 동일하다.The shape and type of the multi-mode optical fibers used as the optical fibers 11 are not critical to the operation of the present invention. Therefore, multimodal optical fibers of either a stepped index or a sloped index can be used. However, the performance of the rotation sensor in terms of sensitivity to ambient influences such as temperature or vibration is shown as a function of the number of modes. Therefore, a stepped index multimode optical fiber that can hold more modes than an equally sized warp index optical fiber is desirable. In the illustrated embodiment, the optical fiber 11 is comprised of stepped index multimode optical fibers having a core diameter of about 50 microns, the optical fiber 19 being the same as this optical fiber 11.
결합기(12), (14)로서 적절한 광학섬유 방향성 결합기는 본 명세서에 참고문헌으로서 사용된, 1979년 1월 30일자로 수자키(Suzaki)에게 허여된 미합중국 특허 제4,136,929호에 기술되어 있다. 이 특허의 제3a도 내지 제3d도에 도시된 바와 같이, 결합기는 각각의 다중모우드 광학섬유가 장착된 아아치형 홈을 갖고 있는 한 쌍의 블록으로 구성되어 있다. 이 블록들의 표면은 피복물과 코어의 일부분이 광학섬유의 한 측면으로부터 제거되도록 절단 및 가공된다. 그후, 블록들의 표면을 대향하게 배치함으로써, 광학섬유의 노출된 코어 부분들을 병렬로 위치시킨다. 바람직하게는, 제1도의 결합기(12), (14)의 결합율을 각각 50%로 하여서, 입구(A)로 삽입된 광선이 출구(C)와 출구(D)로 균등하게 분산되도록 하는 것이 좋다. 결합기(12), (14)를 비임분할기로 대체함으로써, 제1도의 회전감지기를 벌크(bulk) 광학부품으로 구성할 수도 있다.Fiber optic directional couplers suitable as
광원(10)은 본 발명의 적절한 동작에 있어서 중요하다. 더욱 상세하게 말하자면, 광원(10)은 비간섭성이 큰 광선을 제공하므로, 광학섬유의 각각의 모우드내의 광선의 상대적인 위상은 서로에 대해 무작위로 된다. 뿐만 아니라, 광선은 각각의 모우드에 대한 전계의 진폭이 동일한 크기를 갖도록 광학섬유에 결합된다. 후술한 바와 같이, 이들 2개의 조건이 만족되면, 비회전식으로 유도된 특정 형태의 위상오차들이 제거된다.The light source 10 is important for the proper operation of the present invention. More specifically, the light source 10 provides light with high incoherence, so that the relative phases of the light rays in each mode of the optical fiber are random with respect to each other. In addition, the light beam is coupled to the optical fiber such that the amplitude of the electric field for each mode has the same magnitude. As described below, when these two conditions are met, certain types of phase errors induced non-rotationally are eliminated.
광원(10)으로서 사용하기에 적합한 것은 700 내지 900nm 정도의 파장을 갖는 표면방사형 발광 다이오드(LED)이다. LED는 장기적인 광원이기 때문에, 동일한 광도로 각각의 모우드를 발사한다. 또한, LED에 의해 발생된 광선은 비간섭성이 높다. 일반적으로는 LED는 레이저보다 비교적 값이 싸기 때문에, 광원으로서 사용하기에 특히 바람직하다.Suitable for use as the light source 10 is a surface emitting light emitting diode (LED) having a wavelength on the order of 700 to 900 nm. Since LEDs are long-term light sources, they fire each mode at the same intensity. In addition, the light rays generated by the LEDs are highly incoherent. In general, since LEDs are relatively cheaper than lasers, they are particularly preferred for use as light sources.
다른 방법으로서는, 제1도에 점선으로 도시한 바와 같이 위상변조기(40)을 광원(10)에 인접하게 설치함으로써, 간섭성 광원을 이용하여 비간섭성 광선을 발생시킬 수도 있다. 변조기(40)은 변조기(28)과 같은 형태로, 즉 예를 들면 광학섬유(11)이 감겨질 수 있는 PZT 실린더와 같은 형태로 될 수 있다. 변조기(40)은, 전자회로(22)의 검출대역폭보다 높은 고주파수 신호 또는 무작위(random) 신호를 발생시키는 신호발생기(도시하지 않았음)에 의해 구동되어도 좋다. 그러나, 이 신호발생기의 동작주파수는 신호발생기(26)의 동작주파수와는 달라야 한다. 또한, 변조는 루우프(16)에 도달하기 전에 이루어져야 하는데, 그렇지 않으면 이러한 변조에 의해 회전신호가 0으로 평준화되고 말 것이다.As another method, as shown by the dotted line in FIG. 1, by providing the
비간섭성 광선을 제공하는 것 이외에도, 변조기(40)은 광학섬유의 모우드들 사이에 광선을 균등하게 분배하기 위한 모우드 혼전회로(scrambler)로서의 역할을 할 수도 있다. 기본적으로, 비교적 작은 직경(예, 1/2 내지 1인치)의 PZT 실린더 주위에 광학섬유가 예를 들어 5 내지 10회 감기게 되면, 모우드들 사이에서 충분한 결합이 이루어져서 모우드들 사이의 전계의 진폭이 실질적으로 평준화된다.In addition to providing incoherent light,
광검출기(20)도 회전감지기의 적절한 동작에 있어서 중요하다. 더욱 상세하게 말하자면, 광검출기가 광학섬유의 축과 수직으로 배치될 때에 광학섬유(19)에서 나오는 모든 광선이 광검출기에 의해 차단될 수 있도록, 이 광검출기의 표면적이 충분히 커야 한다. 광검출기(20)의 직경은 2 내지 10mm의 범위인 것이 전형적인데, 정확한 크기는 다중모우드 광학섬유(19)의 직경, 광학섬유(19)의 개구수 [이 개구수에 의해서는, 광선이 광학섬유(19)에서 빠져나올 때의 광선의 발산도가 결정된다], 그리고 광학섬유(19)의 단부와 광검출기(20) 사이의 거리에 따라 달라진다. 도시한 실시예에서, 광검출기(20)은 10mm의 직경을 갖고 있는 표준형 PIN 또는 애벌런치 실리콘 광다이오드(Avalanche Silicon Photodiode)이다.The photodetector 20 is also important for proper operation of the rotation sensor. More specifically, the surface area of the photodetector must be large enough so that when the photodetector is disposed perpendicular to the axis of the optical fiber, all light rays emitted from the optical fiber 19 can be blocked by the photodetector. The diameter of the photodetector 20 is typically in the range of 2 to 10 mm, the exact size of which is the diameter of the multimode optical fiber 19, the numerical aperture of the optical fiber 19 [by this numerical aperture, the light is optical The degree of divergence of the light beam when exiting the fiber 19 is determined; and the distance between the end of the optical fiber 19 and the photodetector 20. In the illustrated embodiment, photodetector 20 is a standard PIN or Avalanche Silicon Photodiode having a diameter of 10 mm.
동작시에는, 연속적인 광파(Wi)가 광원(10)으로부터 입력되어서, 광학섬유(11)을 통해 전달된다. 광파(Wi)가 결합기(12)를 통과할 때, 광선의 일부분(예, 50%)은 출입구(D)를 통해 손실된다. 나머지 광선은 결합기(12)의 출입구(C)로부터 결합기(14)로 전달되어서 2개의 광파(W1), (W2)로 균등하게 분리된 다음, 루우프(16)을 통과한 광파(W1), (W2)는 결합기(14)에 의해 재결합되어서, 광학적 출력신호(W0)를 형성한다. 재결합된 광파(W0)의 일부분은 결합기(14)의 출입구(B)를 통해 손실되고, 나머지 부분은 결합기(14)의 출입구(A)로부터 결합기(12)의 출입구(C)로 전달되어 다시 분리됨으로써 광학섬유(19)에는 일부분(예, 50%)이 전달된다. 광학섬유(19)의 단부에서 빠져나온 광파(W0)는 광검출기(20)에 부과되며, 이에 의해 광파(W0)의 광학 세기에 비례하는 전기신호가 출력된다.During operation, a continuous light wave (W i) be the input from the light source 10 is transmitted through an optical fiber (11). When passing through the
이 광학적 출력신호의 세기는 광파(W1), (W2)의 형태(즉, 건설적인가 또는 파괴적인가의 형태)와 이 광파(W1), (W2)들 사이의 간섭량에 비례하여 변하므로, 광파(W1), (W2)사이의 위상차의 함수로 된다. 어느 순간에 광학섬유(11)이 "이상적"이라고(즉, 광학섬유의 복굴절성이 길이방향으로 균일하다고)할 때, 광학적 출력신호의 세기를 측정하면 회전식으로 유도된 사그낙 위상차를 정확히 알 수 있게 되며, 따라서 광학섬유 루우프(16)의 회전비를 정확하게 알 수 있게 된다.The intensity of this optical output signal varies in proportion to the form of light waves W 1 , W 2 (ie, constructive or destructive) and the amount of interference between these light waves W 1 , W 2 . Therefore, it becomes a function of the phase difference between the light waves W 1 and W 2 . At any moment, when the optical fiber 11 is "ideal" (ie, the birefringence of the optical fiber is uniform in the longitudinal direction), the intensity of the optical output signal can be measured so that the rotationally induced Sagnak phase difference can be accurately known. Thus, the rotation ratio of the
상술한 바와같이, 기존의 다중모우드 광학섬유들은, (1) 복굴절성이 있고, (2) 이 복굴절성이 광학섬유의 길이방향으로 균일하지 못하며, 따라서 비회전식으로 유도된 위상차(즉, 위상오차)(이 위상차는 회전식으로 유도된 사그낙 위상차와 구별되지 않는다)를 발생시킨다는 점에서 "이상적"이라고 할 수 없다. 본 발명은 이들 위상오차를 감소시키거나 제거하기 위해 3가지의 상이한 기술을 이용하는데, 즉 (1) 광학섬유의 각각의 모우드에 발사된 광선의 상대적인 위상이 서로에 대해 무작위로 되도록 비간섭성이 높은 광선을 발생시키는 전원을 사용하고, (2) 각각의 모우드내의 광선에 대한 전계 진폭을 균일하게 하며, (3) 실질적으로 모든 광학적 출력신호 전력을 포획할 수 있도록 비료적 큰 표면적을 갖는 검출기를 사용하는 것이다.As described above, conventional multimode optical fibers have (1) birefringence, and (2) this birefringence is not uniform in the longitudinal direction of the optical fiber, and thus the non-rotationally induced phase difference (ie, phase error) This phase difference is not "ideal" in that it generates a phase difference that is indistinguishable from the rotationally induced Sagnak phase difference. The present invention uses three different techniques to reduce or eliminate these phase errors, i.e. (1) non-coherence is such that the relative phases of the rays emitted to each mode of the optical fiber are random with respect to each other. Use a power source that generates high light beams, (2) make the field amplitude uniform for the light beams in each mode, and (3) use a detector with a large surface area to fertilize to capture substantially all optical output signal power. Is to use.
이와같은 위상오차의 감속 혹은 제거에 관하여서는 제2도를 참조하면서 상세히 설명하기로 한다. 제2도는 임의의 완전한 직교 모우드 셋트로부터 선택된 다중모우드 광학섬유의 임의의 2개의 모우드를 관념적으로 도시한 것으로서, 이에 의하면 다중모우드 광학섬유내의 전계의 전파패턴을 상술한 직교 모우드 셋트의 전계의 선형 중첩으로서 설명할 수 있다. 각각의 모우드의 전파속도는 다른 모우드의 전파속도와 상이하다고 가정한다. 또한, 복굴절성이 광학섬유의 길이방향으로 균일하게 분배되지 않는다는 사실을 설명하기위해, 모우드들 사이에 광에너지 결합이 존재한다고 가정한다. 이하, 이러한 에너지결합을 "교차결합"이라고 부르기로 한다.The deceleration or removal of such a phase error will be described in detail with reference to FIG. 2. FIG. 2 conceptually depicts any two modes of multimode optical fibers selected from any complete orthogonal mode set, thereby linearly superimposing the electric field of the orthogonal mode set, which describes the propagation pattern of the electric field in the multimode optical fiber. It can be explained as. It is assumed that the propagation speed of each mode is different from that of other modes. Also, to illustrate the fact that birefringence is not evenly distributed in the longitudinal direction of the optical fiber, it is assumed that there is a light energy coupling between the modes. Hereinafter, such an energy bond will be referred to as a "cross bond".
실제로, 다중모우드 광학섬유는 예를 들어 수천개의 모우드들을 가질 수 있으나, 본 명세서에서는 설명의 편의상 2개의 모우드만이 있는 것으로 하여 설명하고 있다. 그러나, 이와같은 2개 모우드에 관한 설명은, 이후에 수학적으로 기술할 바와 같이 N개 모우드의 경우로 확장될 수 있다.Indeed, multi-mode optical fibers may have thousands of modes, for example, but are described herein as having only two modes for convenience of description. However, the description of these two modes can be extended to the case of N modes, as will be described mathematically later.
제2도의 관념적인 광학섬유 모델은 감지루우프(16)(제1도)를 표시하는데 이용된다. 상호 역방향의 전달파(W1), (W2)는 점선 화살표로 표시한 바와같이 결합기(14)에 의해 루우프(16)으로 결합되는 것으로 나타나있다. 예시의 목적으로 임의로 선택된 다중모우드 광학섬유의 2개의 모우드들은, 한 쌍의 단자(C'), (D')를 연결하는 제1선과, 이 제1선에 평행하게 제2쌍의 단자(C"), (D")를 연결하는 제2선에 의해 개략적으로 도시되어 있다. 제2도의 좌측의 단자(C'), (C")는 결합기(14)의 출입구(C)에 대응하고, 제2도의 우측의 단자(D'), (D")는 결합기(14)의 출입구(D)에 대응한다. 단자들을 연결하는 상술한 제1선과 제2선은 각각 광학섬유 루우프(16)의 임의 모우드 i 및 j를 표시하는데 사용된다.The conceptual optical fiber model of FIG. 2 is used to represent the sense loop 16 (FIG. 1). The mutually opposite propagation waves W 1 and W 2 are shown to be coupled to the
모우드 i 와 j사이의 교차결합은 각각 "분로 1" 및 "분로 2"로 표시된 한 쌍의 선으로 표시되어 있다. 분로 1은 단자(C")와 단자(D') 사이의 교차결합을 나타내고, 분로 2는 단다(C')와 단자(D") 사이의 교차결합을 나타낸다. 분로 1과 분로 2의 사이에 결합이 존재하는 것은 아니지만, 이하에서는 2개의 분로 1과 2의 교차점(50)을 "결합중심"이라고 부르기로 한다. 광학섬유의 복굴절성이 그 길이방향으로 균일하지 않아서 광학섬유 루우프(16)의 주위에 대칭으로 분배되지 않는 것을 설명하기 위하여, 결합중심(50)은 광학섬유 루우프(16)의 중심으로부터 어긋나게 도시되어 있다. 따라서, 교차결합된 광선의 이동경로는 한쪽 모우드내의 경로가 다른쪽 모우드내의 경로보다 길게되므로, 이들 사이에는 비회전식으로 유도된 위상차가 발생된다.The crosslink between modes i and j is indicated by a pair of lines labeled "shunt 1" and "shunt 2", respectively. Shunt 1 represents the cross coupling between terminal C "and terminal D ', and Shunt 2 represents the cross coupling between terminal C' and terminal D". Although there is no bond between Shunt 1 and Shunt 2, the
제2도에 도시한 바와같이, 광파(W1)은 모우드 i와 j가 각각 전계진폭와로 발사되도록 광학섬유 루우프(16)에 결합된다. 이와 마찬가지로, 광파(W2)는 각각의 전계진폭와로 각각의 모우드 i와 j를 발사하도록 결합된다. 프러스(+)와 마이너스(-)의 표시는 전파(傳播)방향을 나타내는 것으로서, 루우프(16) 주위에서의 시계방향은 프러스(+)로 표시되어 있고, 루우프(16) 주위에서 시계 반대방향은 마이너스(-)로 표시되어 있다.As shown in FIG. 2, the light wave W 1 has an electric field amplitude where the modes i and j are respectively Wow Coupled to the
각각의 모우드 i 및 j내의 광선이 광학섬유 루우프(16)을 통과하면 모우드들 사이에 에너지가 결합되므로, 각각의 전계는 2개의 성분, 즉 첨자 s로 표시한 "직선통과"성분과 첨자 c로 표시한 "교차결합" 성분으로 나뉘어진다. 그러므로,는 루우프(16)을 통과하는 동안 모우드 i에 남게되는 직선통과 성분와, 루우프(16)을 통과하는 동안 모우드 j에 교차결합되는 교차결합 성분로 나뉘어진다. 이와 마찬가지로,는 성분와로 나뉘어지고,는 성분와로 나뉘어지며,는 성분와로 나뉘어진다.As the light in each mode i and j passes through the
광파가 광학섬유 루우프(16)을 통과하고나면, 단자(C')에서의 광선은 성분와로 구성되고, 단자(C")에서의 광선은 성분와로 구성되며, 단자(D')에서의 광선은 성분와로 구성되고, 단자(D")에서의 광선은 성분와로 구성된다(제3도 참조). 이러한 8개의 전계성분들은 결합기(14)에 의해 재결합되어서, 광학적 출력신호(W0)을 형성한다. 이 분야에 숙련된 기술자들은, 일반적으로 2개의 전계성분, 예를 들어와를 중첩시키면 다음 식으로 정의되는 최종 세기(Ⅰ)가 검출기(20)에 의해 측정됨을 알 수 있을 것이다.After the light wave passes through the
상기의 특정한 예에서, ø는 전계성분 E+is와 E+ic 사이의 위상차이다.In the above specific example,? Is the phase difference between the electric field components E + is and E + ic.
식(1)의 처음의 2개의 항, 즉과은 안정상태 또는 "직류항"이고, 마지막 항은 전계와사이의 위상차 ø에 따라 변하는 크기를 가진 "간섭항"이다.The first two terms of equation (1), i.e. and Is the steady state or "direct current" term, the last term is an electric field Wow It is an "interference term" with a magnitude that varies with the phase difference ø.
일반적으로, 상기 8개의 전계,,,,,,및가 상호 간섭하면, 위상에 무관한 8개의 직류항과 위상에 종속된 28개의 간섭항으로 구성된 광학 세기가 검출기(20)(제1도)에 나타난다. 위상 종속항의 결합수는 n(n-1), 즉 이 경우에는 56개로 된다. 그러나, 이 항들의 1/2은 나머지 1/2과 순서만 다르기 때문에, 결국 조합수는 28개로 되는 것이다.Generally, the eight fields , , , , , , And When the interference interferes with each other, an optical intensity composed of eight DC terms independent of phase and 28 interference terms dependent on phase appears in the detector 20 (FIG. 1). The number of couplings of the phase dependent term is n (n-1), that is, 56 in this case. However, half of these terms differ only in order from the other half, resulting in 28 combinations.
8개의 직류항들은 하나의 벡터합(Idc)로 제4도에 도시되어 있고, 28개의 간섭항들은 하나의 벡터(Ii)로 제4도에 도시되어 있다. 이들 벡터(Idc), (Ii)는 복소평면상에 도시되어 있다. 광학섬유 루우프(16)(제1도)가 회전하면, 위상종속 벡터(Ii)는 사그낙 효과로 인해 회전식으로 유도된 위상차 øs와 동일한 각도로 페이저법에 따라 회전한다. 실축에 대한 간섭벡터(Ii)의 투영분을 벡터(Idc)와 가산하면, 전체 광학세기가 IDET인 광학적 출력신호(W0)가 검출기(20)(제1도)에서 측정된다. 제5도의 곡선(52)은 이 광학세기 IDET를 사그낙 위상차 øS의 함수로 도시한 것이다.Eight DC terms are shown in FIG. 4 with one vector sum I dc , and 28 interference terms are shown in FIG. 4 with one vector I i . These vectors I dc , I i are shown on the complex plane. When the optical fiber loop 16 (FIG. 1) rotates, the phase dependency vector I i rotates according to the pager method at an angle equal to the rotationally induced phase difference ø s due to the Sagnak effect. When the projection of the interference vector I i with respect to the real axis is added to the vector I dc , the optical output signal W 0 having the total optical intensity I DET is measured at the detector 20 (FIG. 1). Curve 52 in FIG. 5 shows this optical intensity I DET as a function of the Sagnak phase difference [Delta] S.
제2도에 관련하여 상술한 바와같이, 모우드 i와 j 사이의 교차결합은 광학섬유 루우프(16)을 비가역적으로 동일하게 함으로써 비회전식으로 유도된 위상차를 상술한 전계성분들 사이에 발생시키며, 회전식으로 유도된 사그낙 위상차 øs와 구별할 수 없는 축적된 위상오차 øe를 만든다. 위상오차 øe는 페이저(Ii)가, 예를 들어 제4도의 실선 위치로부터 점선 위치로 회전되도록 한다. 이에 따라, 제5도의 곡선(52)은, 예를들어 제5도의 실선 위치로부터 점선 위치로 øe만큼 이동된다.As described above with respect to FIG. 2, the crosslinking between the modes i and j generates a non-rotationally induced phase difference between the above mentioned electric field components by irreversibly equalizing the
축적된 위상오차 øe를 제거 혹은 감소시키려면, 제2도를 참조하며 설명한 바 있는 8개의 전계성분들의 중첩에 의해 생기는 28개의 간섭항을 분석할 필요가 있다. 우선, 전계성분와의 사이, 그리고와사이의 간섭에 의하여서는 위상오차가 나타나지 않음을 이해하기 바란다(왜냐하면, 이들 성분으로 표시되는 광선은 교차결합되지 않고 1개의 모우드로 루우프를 통과하기 때문이다). 그러나, 나머지 26개의 간섭항은 축적된 위상오차 øe를 가질 수 있다. 이들 26개의 간섭항은 3개의 그룹, 즉 다음과 같은 그룹 Ⅰ, 그룹 Ⅱ 및 그룹 Ⅲ으로 분류될 수 있는 26쌍의 전계성분들에 대응한다.To eliminate or reduce the accumulated phase error ø e , it is necessary to analyze the 28 interference terms caused by the superposition of the eight field components described with reference to FIG. 2. First, electric field component Wow Between and Wow Understand that no phase error is caused by the interference between them (because the light rays represented by these components do not cross-couple and pass through the loop into one mode). However, the remaining 26 interference terms may have an accumulated phase error ø e . These 26 interference terms correspond to 26 pairs of field components that can be classified into three groups, namely Group I, Group II and Group III as follows.
이상에는 간섭 전계성분들만 열거되어 있고 간섭항들 자체는 열거되어 있지 않으나, 상기에 열거된 각각의 성분 쌍들에 대한 간섭항은 식(1)에서 제공된 예에 따라서 손쉽게 계산될 수 있다.Although only the interference field components are listed and the interference terms themselves are not listed, the interference term for each component pair listed above can be easily calculated according to the example provided in Equation (1).
그룹 I에는, 상이한 모우드에서 발생되어 루우프(16)을 통과한 다음에 결합기(14)에 도달할 때에 동일한 모우드에 있게 되는 전계성분 쌍들을 포함한다. 예를 들어, 그룹Ⅰ의 첫 번째 성분쌍은 모우드 i에서 발생되어 루우프(16)을 통과하는 동안에도 모우드 i에 유지되는 직선통과 성분와, 모우드 j에서 발생되나 루우프(16)을 통과하는 동안에 모우드 i에 교차결합된 교차결합 성분로 이루어진다. 통상적으로, 이 성분들은 식(1)에서 기술한 바와 같이 상호 간섭한다.Group I includes field component pairs that occur in different modes and are in the same mode when passing through
그러나, 비간섭성 광선들 사이의 위상차는 무작위이기 때문에, 비간섭성 광선들 사이의 간섭은 검출기(20)에서 0으로 평준화된다. 따라서 그룹Ⅰ의 간섭항들은 비간섭성인(즉, 다른 모우드내의 광선에 대해 위상이 무작위로 된)광선을 각각의 모우드에 발사함으로써 제거될 수 있다. 그러므로, 예를 들어 모우드 i를 모우드 j내의 광선에 대해 비간섭성인 광선으로 발사하면, 예컨대 성분와사이의 위상차가 무작위이어서 검출기(20)에서 0으로 평준화되기 때문에, 이들 성분 사이의 평균간섭은 0으로 된다. 이와 마찬가지로, 나머지 성분들(예를 들면와,와등) 사이의 간섭도 0으로 평준화된다. 따라서, 상술한 바와 같은 비간섭성 과원(10)을 이용함으로써, 그룹 Ⅰ에 열거된 성분들 사이의 간섭 및 이러한 간섭에 의해 생긴 위상오차들을 감소하거나 제거할 수 있다.However, since the phase difference between incoherent light rays is random, the interference between incoherent light rays is leveled to zero at the detector 20. Thus, the interference terms of group I can be eliminated by firing each beam with light that is incoherent (ie, randomized in phase with respect to the light in the other mode). Thus, for example, firing mode i as a ray that is incoherent to the ray in mode j, e.g. Wow Since the phase difference between them is random and equalized to zero in the detector 20, the average interference between these components becomes zero. Similarly, the remaining components (eg Wow , Wow Etc.) is also equalized to zero. Thus, by using the non-coherent orchard 10 as described above, it is possible to reduce or eliminate the interference between the components listed in group I and the phase errors caused by such interference.
그룹 Ⅰ의 위상오차들을 감소시키는데 필요한 비간섭도는 모우드들 사이의 광학경로 길이차의 함수이다. 광원으로부터의 광선의 간섭길이가 2개의 소정의 모우드들 사이의 광학경로의 길이차보다 작으면, 이 2개의 모우드에 대한 그룹 Ⅰ 성분들 사이의 평균간섭 및 위상오차가 감소된다. N개 모우드의 경우에는, 가장 긴 광학경로와 가장 짧은 광학경로 사이의 차이보다 광원의 간섭길이가 작을 때에 위상오차의 감소가 나타나기 시작한다. 그러나, 그룹 Ⅰ의 오차를 완전히 제거하기 위하여서는, 간섭길이는 모우드들 사이의 광학경로 길이차의 최소값보다 작아야 한다.The non-coherence needed to reduce the phase errors of group I is a function of the optical path length difference between the modes. If the interference length of the light beam from the light source is less than the length difference of the optical path between the two predetermined modes, the average interference and phase error between the group I components for these two modes is reduced. In the case of N modes, the phase error decreases when the interference length of the light source is smaller than the difference between the longest optical path and the shortest optical path. However, in order to completely eliminate the error in group I, the interference length must be smaller than the minimum value of the optical path length difference between the modes.
그룹 Ⅰ의 항들로 인한 축적된 위상오차 øe(Ⅰ)와 간섭길이 사이의 관계는, 간섭길이가 광학경로 길이차보다 큰 모우드쌍(기본 모우드뿐만 아니라 일반화된 편광 모우드를 포함함)들의 모든 가능한 결합수를 결정함으로써 추정될 수 있다. 이 수를 K라고 하면, 위상오차 øe(Ⅰ)는 다음과 같이 된다.The relationship between the accumulated phase error ø e (I) and the interference length due to the terms in Group I is based on all possible pairs of mode pairs (including the basic mode as well as the generalized polarization mode) whose interference length is greater than the optical path length difference. It can be estimated by determining the number of bonds. If this number is K, then the phase error? E (I) is as follows.
(2) (2)
여기서, N은 기본 모우드와 일반화된 편광 모우드를 모두 포함하는 모우드의 수이다.Where N is the number of modes including both the base mode and the generalized polarization mode.
예를 들어, 3,000개의 모우드를 가진 광학섬유의 경우(N=3000)에, 광학경로 길이의 결합수는 N(N-1) 또는 약 (3000)2으로 되어서, 9,000,000개의 가능한 결합을 만들게된다. 이들 결합중 광학경로의 길이차가 광원의 간섭길이보다 큰 경우가 1%의 비율이라면,For example, in the case of an optical fiber with 3,000 modes (N = 3000), the number of bonds in the optical path length would be N (N-1) or about (3000) 2 , making 9,000,000 possible bonds. If the length difference of the optical paths during these coupling is larger than the interference length of the light source,
(3) (3)
로 된다.It becomes
그러므로, 이 예에 있어서의 그룹 Ⅰ의 오차로 인한 오차율은 단지 10-2래디안이다. 대부분의 실제 응용의 경우에, 전체 위상오차 øe의 크기는 이 값(예를 들어 10-2래디안)보다 작아야 한다. 이 값을 식(2)에 치환하면 다음과 같이 된다.Therefore, the error rate due to the error of group I in this example is only 10-2 radians. For most practical applications, the magnitude of the total phase error øe should be less than this value (eg 10-2 radians). Substituting this value into equation (2) gives the following:
K≤0.01N2(4)K≤0.01N 2 (4)
따라서, 광원(10)의 간섭길이는 식(4)를 만족시키도록 선택되어야 한다. 그러나, 간섭길이가 짧으면 짧을수록 그룹 Ⅰ의 위상오차가 작게 되는 것이 일반적이다.Therefore, the interference length of the light source 10 should be selected to satisfy the equation (4). However, the shorter the interference length, the smaller the phase error of the group I is generally.
광학섬유의 제조업자가 제공한 전형적인 분산 데이터를 사용하면 광학섬유 모우드의 광학경로 길이를 측정하거나 계산할 수 있다는 것은 당업자에게 공지되어 있다.It is known to those skilled in the art that the typical dispersion data provided by the manufacturer of the optical fiber can be used to measure or calculate the optical path length of the optical fiber mode.
그룹 Ⅱ에는, 전계성분의 당초의 모우드와는 관계없이, 루우프(16)을 통과한 후에 상이한 모우드에 있게되는 전계성분 쌍들이 포함된다. 그러므로, 예를 들어 모우드 I내의 전계성분는 모우드 j내의 성분와 쌍을 이루게 된다. 모우드 i와 모우드 j는 직교하며 직교 모우드의 전계들은 간섭하지 않기 때문에, 그룹 Ⅱ내의 항들 사이에는 간섭이 없게 된다. 그러나, 그룹 Ⅱ내의 각 쌍의 전계들의 패턴들은 "전체적"으로 보았을 때에만 직교하는 것임을 명심해야 한다. 즉, 간섭을 제거시키기 위하여서는 모든 전계패턴들은 광학섬유의 축에 수직인 평면에서 공간적으로 평준화되어야 한다. 만약 이러한 공간 평준화가 전계패턴의 일부에 대해서만 이루어진다면, 직교성이 존재하지 않게 된다. 모우드(예컨대 모우드 i와 j)의 실질적으로 모든 전계패턴들이 공간적으로 확실히 평준화되게 하기 위해서, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 광학섬유(19)의 단부에서 빠져나온 모든 광선을 포획하기에 충분히 큰 표면적을 갖고 있는 검출기(20)을 이용하고 있다.Group II includes field component pairs that are in different modes after passing through
그룹 Ⅲ에 열거된 전계성분 쌍들로부터는 단지 2개의 간섭항이 생기는데, 하나의 간섭항은 성분와의 중첩으로 인해 생기고, 다른 간섭항은 성분와의 중첩으로 인해 생긴다. 다시 말해서, 각각의 간섭항은 한 쌍의 성분, 즉 제1모우드에서 발생되어 루우프(16)을 통과하는 동안에 제2모우드에 교차결합되는 하나의 성분과, 동일한 제1모우드에서 발생되어 동일한 제2모우드에 교차결합되기는 하지만 루우프(16)을 통과하는 방향이 반대인 또 하나의 성분으로 인해 생긴다. 이들 2개의 간섭항은 주변 요소에 매우 민감하며, 사그낙 위상차보다 큰 위상오차를 발생시킬 수 있다.From the field component pairs listed in Group III there are only two interference terms, one interference term Wow Resulting from the superposition of, other interference terms Wow Occurs due to overlapping In other words, each interference term is a pair of components, one component that is generated in the first mode and cross-coupled to the second mode while passing through the
와사이의 간섭은 다음과 같은 위상 종속항을 만든다. Wow The interference between them makes the following phase dependent terms:
이와 마찬가지로, E+jc와 E-jc 사이의 간섭도 다음과 같은 위상 종속항을 만든다.Similarly, the interference between E + jc and E-jc also produces the following phase-dependent terms.
여기서,는 모우드 i와 j사이에 결합되는 전계에너지의 부분(fraction)이고,은 모우드 i와 j 사이에 결합되는 광학세기의 부분이며øs는 이들 2개의 성분 사이의 회전식으로 유도된 사그낙 위상차이고, øp는 단자(C")와 단자(D') 사이에서 1개 모우드로부터 다른 모우드로 교차결합되는 광선의 전체적인 축적 위상이며, øq는 단자(C')와 단자(C") 사이에서 1개 모우드로부터 다른 모우드로 교차결합되는 광선의 전체적인 축적 위상이다.here, Is the fraction of the field energy coupled between modes i and j, Is the portion of optical intensity coupled between modes i and j, ø s is the rotationally induced Sagnak phase difference between these two components, and ø p is one mode between terminal (C ") and terminal (D ') Is the overall accumulation phase of the light ray crosslinked from one mode to the other, and ø q is the overall accumulation phase of the light ray crosslinked from one mode to another between terminal C 'and terminal C ".
이들 간섭항(5) 및 (6)에 대응하는 벡터들은 제6도의 복소평면에 각각 벡터(56), (58)로 도시되어 있다. 간섭항(5) 및 (6)은 각각 벡터(56), (58)의 실축상의 투영이다. 벡터(56), (58)을 벡터적으로 가산하면 합성벡터(60)(제7도)가 만들어진다. 설명을 간단히 하기 위해서, 제6도 및 제7도에서는 사그낙 위상차 øs가 0인 것으로 가정되어 있음을 이해하기 바란다. 제7도에 도시한 바와 같이 벡터(60)은 실축으로부터 위상각 øe(Ⅲ)만큼 떨어져있는데, 이 위상각 øe(Ⅲ)는 그룹 Ⅲ의 성분들 사이의 간섭으로 인하여 비회전식으로 유도된 위상오차를 나타내고 있다. 벡터(60)의 실축상의 투영은 2개의 간섭항(5) 및 (6)의 대수적 합으로서 다음과 같이 표시된다.The vectors corresponding to these
(7) (7)
검출기(20)은 벡터(60)의 실축상의 성분만을 측정하기 때문에, 검출기(20)의 출력은 대수적 합(7)에 비례한다. 그러므로, 검출기(20)의 출력에는 위상오차 øe(Ⅲ)(제7도)에 대응하는 오차가 발생한다.Since the detector 20 only measures components on the real axis of the
간섭항들의 대수적 합(7)은 다음과 같이 달리 표현될 수도 있다.The algebraic sum of the interference terms 7 may be expressed differently as follows.
(8) (8)
|Ei|2과 |Ej|2이 동일한 경우에는, 이대수적 합(8)이 다음과 같이 된다.| E i | 2 | E j | When 2 is the same, this logarithm sum 8 becomes as follows.
(9) (9)
이 형태에서, øp-øq의 크기의 변화의 효과는 회전식으로 유도된 사그낙 위상차 øs와 구별될 수 있다. 이와 같은 사실은 제8도 및 제9도를 참조하면 더욱 용이하게 알 수 있는데, 이들 도면에는 크기가 동일한 벡터(56)과 벡터(58)가 합성벡터(60)에 미치는 효과가 도시되어 있다. 즉, øp-øq의 크기에 관계없이 합성벡터(60)은 항상 실축상에 있게 되므로, 합성벡터(60)의 방향은 øp-øq의 크기의 변화와 무관하게 된다. 이러한 변화는 벡터(60)의 크기를 변화게 하기는 하지만, 이러한 벡터(60)의 크기의 변화는 검출기(20)의 출력에 실질적으로 영향을 미치지 않는데, 그 이유는 다음에 기술하는 바와 같이 벡터(60)의 크기의 변화는 다중모우드 광학섬유의 다른 모우드들에서의 대응하는 크기 변화와 평준화됨으로써, 이러한 모든 변화의 합계가 0으로 되기 때문이다.In this form, the effect of the change in the size of ø p- ø q can be distinguished from the rotationally induced Sagnak phase difference ø s . This can be seen more easily with reference to Figs. 8 and 9, which show the effect of
따라서, 각각의 모우드내의 광선의 세기가 다른 모우드의 것과 동일한 세기를 가진 광선으로 발사된다면, 그룹 Ⅲ의 항들로 인한 위상오차들을 제거할 수 있다. 바람직하게는, 그룹 Ⅲ 간섭항이 검출기(20)에서 위상오차를 제거하기에 적당한 크기와 위상각을 갖도록, 모우드들내의 광선은 결합기(14)에 도달하여 역방향 전달파로 분산될 때까지 세기가 동일하여야 한다. 또한, 모우드가 어떠한 광선 세기도 갖고 있지 않다면 모우드의 세기가 동일하게 될 수 없으므로 그룹 Ⅲ의 위상오차가 만들어지기 때문에, 모든 모우드는 결합기(14)에서 광선이 분산될 때까지 발사되어야 한다. 물론, 모든 모우드들이 발사되지 않더라고, 다수의 모우드들의 일부에 있어서의 세기가 동일하게 되어 있는 한, 그룹 Ⅲ 위상오차들은 역시 감소될 것이다. 상술한 바와 같이, 본 발명에서는 모든 광학섬유 모우드들 사이에 광학세기를 동일하게 분배하기 위해서 발광 다이오드(LED)를 이용하고 있다.Thus, if the intensity of the light beam in each mode is emitted with a light beam having the same intensity as that of the other mode, it is possible to eliminate the phase errors due to the group III terms. Preferably, the beams in the modes should be the same in intensity until the group III interference term has a magnitude and phase angle suitable for eliminating phase error in detector 20 until it reaches
상기 분석은 다중모우드 광학섬유내의 모우드의 모든 결합쌍에 대하여 동일한 결과(즉, 위상오차의 제거)로 적용될 수 있다. 또한, 다수의 모우드가 이용되면, 검출된 광학신호의 주변 감수성이 감소된다. 이에 관련해서, 제4도와 제5도를 참조한 상기의 설명으로부터, 검출기(20)에 의해 측정된 바와 같은 전체 광학세기(IDET)가 다음과 같이 된다는 것을 알 수 있을 것이다.The analysis can be applied with the same result (ie elimination of phase error) for all bonding pairs of the mode in the multimode optical fiber. In addition, when multiple modes are used, the peripheral sensitivity of the detected optical signal is reduced. In this regard, it can be seen from the above description with reference to FIGS. 4 and 5 that the overall optical intensity IDET as measured by the detector 20 becomes as follows.
IDET=Idc+Iicosøs (10)I DET = I dc + I i cosøs (10)
동일한 진폭의 전계(E)를 가진 광선을 모우드들에 발사한다고 가정하면, Idc는 다음과 같이 간단히 표현된다.Assuming that light beams with the same amplitude electric field E are emitted to the modes, I dc is simply expressed as follows.
(11) (11)
여기서, N은 기본 모우드와 일반화된 편광 모우드를 모두 포함하는 광학섬유 모우드의 수이다.Where N is the number of optical fiber modes including both the base mode and the generalized polarization mode.
또한, 각각의 모우드내의 광선이 다른 모든 모우드들에 대해 비간섭성이고 또한 검출기(20)은 전체적인 직교성을 보장하기에 충분한 표면적을 갖고 있어 그룹 I과 그룹 Ⅱ의 간섭항들이 0으로 된다고 가정하면, 식(10)의 간섭항 Iicosøs는 다음과 같이 표현될 수 있다.Furthermore, assuming that the light in each mode is incoherent for all other modes and that the detector 20 has sufficient surface area to ensure overall orthogonality, the interference terms of group I and group II become zero, The interference term I i cosø s of Equation (10) can be expressed as
(12) (12)
여기서,는 k번째 모우드로부터 u번째 모우드로 결합되거나 혹은 u번째 모우드로부터 k번째 모우드로 결합된 광학전력의 부분이다.는 교차결합되지 않은 상태로 소정의 모우드(예를 들어, k번째 모우드)에 남아 있는 이러한 광학전력의 비결합 부분이다.here, Is the portion of optical power coupled from the kth mode to the uth mode or from the uth mode to the kth mode. Is the uncoupled portion of this optical power that remains in a given mode (e.g., k-th mode) without crosslinking.
또한,는 (1) 하나의 모우드 k, u에서 발생되어 다른 모우드 k, u에 교차결합되어 프러스(+) 방향으로 루우프(16)을 통과하는 광선과, (2) 동일한 하나의 모우드 k, u에서 발생되어 동일한 다른 모우드 k, u에 교차결합되지만 다른 방향 즉 마이너스(-) 방향으로 루우프(16)을 통과하는 광선과의 전체적인 축적 위상에 있어서의 차이이다. 모우드 i, j(제2도)에 관련된 상술한 경우에, 위상각는 øp-øq의 크기와 동일하다.Also, Is generated in (1) one mode k, u and cross-linked to another mode k, u and passes through
식(12)의 우변의 처음항은 "직선통과" 광파성분(예,및)에 관련된 간섭항들의 합계로 인해 나타나는 광학세기이다. 상술한 바와 같이 이들 "직선통과" 성분에 의해 위상오차가 나타나지는 않지만, 그럼에도 불구하고 이 성분들은 회전식으로 유도된 "사그낙" 위상차에 응답하여 간섭한다. 식(12)의 우변의 나머지 항은 그룹 Ⅲ 성분들에 관련된 간섭항들의 합계로 인해 나타나는 광학세기이다[(식(9)와 식(12)를 비교하여 보기 바란다]. 모든 모우드들이 동일한 세기를 갖고 있는 한, 이러한 간섭항들에 의해 위상오차가 나타나지는 않는다.The first term on the right side of equation (12) is the "straight-through" light wave component (e.g. And Optical intensity due to the sum of the interference terms associated with Although the phase error is not exhibited by these "straight through" components as described above, these components nevertheless interfere in response to the rotationally induced "Sagnak" phase difference. The remaining term on the right side of Eq. (12) is the optical intensity due to the sum of the interference terms associated with the Group III components (see comparison between Eq. (9) and (12).) As far as possible, no phase error is caused by these interference terms.
식(12)는 다음과 같이 달리 표현될 수도 있다.Equation (12) may be expressed differently as follows.
(13) (13)
여기서 IT=N|E|2이다.Where I T = N | E | 2
식(13)을 보면, "직선통과" 간섭항 및 그룹 Ⅲ의 "교차결합" 간섭항들을 모두 N개의 모우드에 걸쳐 합산하여 N으로 나눈 것이므로, 이 항들은 N개의 모우드에 대해 평준화된 것으로 보여질 수 있다. 다수의 모우드들이 있는 경우에는, 광학섬유의 동요(perturbations)로 인한과 η의 변화가 평준화됨으로써 더욱 안정한 신호를 만들게 된다. 신호의 안정도는 1/ N에 비례한다.Equation (13) shows that both the "straight through" interference term and the "cross-coupled" interference terms in group III are summed over N modes and divided by N, so these terms would appear to be equalized for the N modes. Can be. If there are multiple modes, due to the perturbations of the optical fiber The changes in and η are leveled off, creating a more stable signal. The stability of the signal is proportional to 1 / N.
또한, 위상각 øku는 0과 360˚사이의 어떤 값을 가지며, 이 값은 정(+) 또는 부(-)로 될 수 있다. 그러므로, 모우드의 수가 증가하면, cosøku의 평균값은 0으로 수렴되므로, 식(13)은 다음과 같이 감소하게 된다.In addition, the phase angle ø ku has a value between 0 and 360 °, which can be positive or negative. Therefore, as the number of modes increases, the mean value of cosø ku converges to zero, so that equation (13) decreases as follows.
(14) (14)
실제로는,Actually,
(15) (15)
이고,ego,
Idc1/2IT(16)I dc 1 / 2I T (16)
이라는 것을 알게 되었다.I found out.
식(14)에 식(15)를 치환하고, 식(10)에서 식(14)와 식(15)를 치환하면 다음과 같이 된다.Substituting Eq. (15) into Eq. (14) and substituting Eq. (14) and Eq. (15) in Eq. (10) is as follows.
IDET=1/2IT(1+1/2cosøs) (17)I DET = 1 / 2I T (1 + 1 / 2cosø s ) (17)
그러므로, 검출기(20)에 의해 측정된 바와 같은 광학적 출력신호(W0)의 세기는, 제5도에 실선으로 표시된 곡선(52)에서와 같이 회전식으로 유도된 사그낙 위상차 øs에 응답하여 변화게 된다. 그룹 Ⅰ,Ⅱ 및 Ⅲ의 위상오차를 제거하면 전체적인 축적된 위상오차 øe는 0으로 되므로, 곡선(52)는 위상에 대해 안정상태를 유지한다(예컨대, 제5도의 øs축을 따라 이동하지 않는다). 또한, 나머지 간섭항들은 광학섬유의 N개 모우드에 걸쳐서 평준화 때문에, 곡선(52)의 진폭은 안정하게 유지되고 따라서 주변요소에 의해 생긴 복굴절성의 변화에 대해 둔감하게 된다. 곡선(52)의 진폭의 안정도는 1/에 비례한다.Therefore, the intensity of the optical output signal W0 as measured by the detector 20 changes in response to the rotationally induced sagnak phase difference ø s as in the curve 52 indicated by the solid line in FIG. . Eliminating the phase errors in groups I, II, and III results in an overall accumulated phase error ø e of zero, so that the curve 52 remains stable with respect to the phase (e.g., does not move along the ø s axis of FIG. 5). ). In addition, because the remaining interference terms are leveled across the N modes of the optical fiber, the amplitude of curve 52 remains stable and therefore insensitive to changes in birefringence caused by peripheral elements. The stability of the amplitude of the curve 52 is 1 / Proportional to
본 발명의 회전감지기는 광학섬유 루우프 내에서 역산란되는 광선이 효과를 유리하게 감소시키기도 한다. 이에 관련해서, 기존의 광학섬유는 광학적으로 완전하지 않고, 소량의 광선을 산란시키는 결함을 갖고 있음을 이해하기 바란다. 이러한 현상을 통상적으로 레일레이(Rayleigh)산란이라고 한다. 이러한 산란에 의하면 약간이 광선이 광학섬유로부터 손실되기는 하지만, 이러한 손실량은 비교적 작으므로 중요하지 않다. 레일레이 산란에 관련된 근본적인 문제점은, 광선이 최초의 전파방향과 반대방향으로 광학섬유를 통해 전파되도록 반사되는 광선 부분에 관한 것이다. 이것은 통상적으로 "역산란" 광선이라고 불리워진다. 이러한 역산란 광선가 루우프(16)의 주위에서 이와 동일한 방향으로 이동하는 광선의 사이에 간섭성이 있다면, 이 역산란 광선은 상기의 광선과 건설적으로 혹은 파괴적으로 간섭하게 되고, 따라서 검출기(20)에 의해 측정되는 광학적 출력신호(W0)의 세기가 변화하게 된다. 본 발명에 있어서는, 각각의 모우드를 다른 모우드에 대해 비간섭성인 광선으로 발사시킬 수 있는 광원(10)을 이용함으로써 상술한 간섭을 감소시킨다. 그러므로, 하나의 모우드(예컨대, 모우드 i)에서 발생되어 다른 모우드(예컨대. 모우드 j)에 의해 포획된 역산란 광선은 이 다른 모우드(예컨대, 모우드 j)내의 광선을 간섭하지 않는다. 또한, 광파가 결합기(14)에서 재결합되면, 예를들어 모우드 i내의 광선은 모우드 i에서 발생되어 다른 모우드(예컨대, 모우드 j)에 의해 포획된 역산란 광선을 간섭하지 않는데, 이것은 모우드들이 직교하기 때문이다. 결국, 간섭을 일으킬 수 있는 역산란 광선은 어떤 모우드에서 발생되어 루우프(16)을 통과하는 동안에도 동일한 모우드에 유지되는 역산란 광선뿐이다. 실제로, 역산란 광선은 N개의 모우드에 걸쳐서 평준화되므로, 역산란 광선으로부터의 간섭량은 모우드의 수에 반비례한다. 따라서, 역산란을 감소시키기 위하여서는, 모우드의 개수가 많은 광학섬유를 사용하는 것이 바람직하다.The rotation sensor of the present invention also advantageously reduces the effects of light scattering back within the optical fiber loops. In this regard, it is understood that existing optical fibers are not optically complete and have defects that scatter small amounts of light. This phenomenon is commonly referred to as Rayleigh scattering. This scattering is slightly insignificant, although light rays are lost from the optical fiber, so this loss is relatively small. A fundamental problem associated with Rayleigh scattering relates to the portion of the beam that is reflected such that the beam propagates through the optical fiber in a direction opposite to the original direction of propagation. This is commonly called "backscattering" light. If such backscattered light is coherent between the light rays moving in the same direction around the
제1도와 제10도에 도시된 본 발명의 제2실시예에서는, 단일 모우드(즉, 특정한 기본 모우드내의 일반화된 편광 모우드들중의 하나의 모우드)를 통과시키고 다른 모든 모우드내의 광선을 거부하는 쌍방향성 모달(modal)휠터를 이용하고 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 모달 휠터는 결합기(12), (14)들의 사이의 광학섬유(11)의 광학경로내에 배치된 이송 홀로그램(70)으로 구성되므로, 입력 광파(Wi)는 휠터(70)을 통해 로우프(16)으로 이동되고, 출력 광파(W0)는 동일한 휠터(70)을 통해 검출기(20)으로 이동한다. 제10도를 참조하면, 이 휠터(70)은 결합기 (12), (14)사이의 소정의 위치에서 광학섬유(11)의 연속가닥을 절단함으로써 광학섬유(11)의 광학 경로내에 배치되어서 2개의 광학섬유 부분(11a), (11b)을 제공한다. 휠터(70)은 입력파(Wi)와 출력파(W0)를 차단시키기 위해 광학섬유 부분(11a), (11b)의 사이에 배치된다.In the second embodiment of the present invention shown in FIG. 1 and FIG. 10, a bi-directional passing through a single mode (i.e. one of the generalized polarization modes within a particular basic mode) and rejecting light in all other modes We are using a modal filter. In a preferred embodiment of the present invention, a modal filter is a coupler (12), so configured as a transfer hologram (70) disposed in the optical path of the optical fiber 11 between of 14, the input optical wave (W i) is a filter It is moved to the
이 분야의 숙련된 기술자들은 이러한 홀로그래프 휠터(70)이 제11도에 도시한 기술을 이용함으로써 만들어질 수 있다는 것을 알수 있을 것이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 이 방법에서는 길이가 매우 짧다는 것(예, 10㎝)을 제외하고는 광학섬유 부분(11a), (11b)와 각각 동일한 한 쌍의 다중모우드 광학섬유(80), (82)를 이용한다.Those skilled in the art will appreciate that such
한쌍의 광학섬유(80), (82)와 홀로그래프 판(84)는 광학섬유 부분(11a), (11b)와 휠터(70)에서 요구되는 바와 같은 정확한 방법으로 상대적으로 배치된다. 한쌍의 광학섬유(80), (82)의 소정의 단일 모우드[즉, 휠터(70)에 의해 이송될 모우드]는 판(84)를 향해 전파되도록 배향되어 있는 한쌍의 광파(Wa), (Wb)로 발사되므로, 이 광학섬유(80), (82)에서 나오는 광선은 홀로그래프 판(84)에 의해 차단된다. 도시된 실시예에서, 광학섬유(80), (82)는 광파(Wa), (Wb)가 서로 반대편에서부터 판에 충돌하여 판(84)의정확하게 동일 지역을 덮도록 배향되어 있다.The pair of
이러한 방법으로 홀로그래프 판(84)를 노출시킨 다음, 판을 현상하여 광학섬유 부분(11a), (11b)의 사이에 위치시키면 휠터(70)가 제공된다. 휠터(70)을 제조하는 동안에 홀로그래프 판(84)와 한 쌍의 광학섬유(82), (84)를 정확하게 위치시켰던 것과 완전히 동일한 방법으로 휠터(70)과 광학섬유 부분(11a), (11b)를 상대적으로 정확하게 위치시키면, 휠터(70)은 바람직한 단일 모우드만을 통과시키고 다른 모든 모우드들은 거부한다.After exposing the
모달 휠터(70)을 사용하여 위상오차를 제거하는 것은, 제2도를 참조하며 상술한 바와 같은 모우드 i와 j의 개념적인 모델을 참조함으로써 더욱 상세하게 이해될 수 있다. 이때, 휠터(70)은 모우드 i내의 광선을 통과시키고, 다른 모우드(예컨대, 모우드 j)를 거부한다고 가정하자. 따라서, 입력 광파(Wi)가 휠터(70)을 통과한 후에 광학섬유 부분(11b)(제10도)로 들어가는 전계 성분은 Ei뿐이다. 루우프(16)을 통과하는 동안에는 모우드들 사이의 교차결합으로 인해 모우드 혼합이 생기므로, 역방향 전달파들이 결합기(14)에서 재결합되어 광학적 출력신호(W0)을 형성하였을 때에는 다음의 전계성분 쌍들에 대응하는 간섭항들만이 존재하게 된다.Removing the phase error using the
광학적 출력신호(Wi)가 광학섬유(11b)로부터 휠터(70)을 통해 광학섬유 부분(11a)로 전달되면(제10도), 첨자 j가 붙은 모든 성분들이 제거되므로 간섭 성분및만이 남게 된다. 이 성분쌍들 사이의 간섭은 위상오차에 영향을 미치지 않으므로, 검출기(20)에 의해 측정된 광학적 출력신호(W0)에는 위상오차가 없게 된다.When the optical output signal (W i) is transmitted to the optical fiber portion (11a) through the
이와 같은 제2실시예에서는 다중모우드 광학섬유의 단 하나의 모우드만을 사용하였기 때문에 제2실시예에서의 광학적 출력신호(W0)는 제1실시예의 경우에 비해 세기가 상당히 감소되기는 하지만, 제2실시예도 역시 제1실시예에서와 마찬가지로 비교적 값이 싼 다중모우드 광학섬유를 사용할 수 있게 한다는 장점이 있다.In this second embodiment, since only one mode of the multi-mode optical fiber is used, the optical output signal W 0 in the second embodiment is significantly reduced in intensity compared with the case of the first embodiment. The embodiment also has the advantage that it is possible to use a relatively inexpensive multimode optical fiber as in the first embodiment.
Claims (26)
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Family Applications (1)
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KR1019830000610A KR900008599B1 (en) | 1983-02-15 | 1983-02-15 | Multimode fiber optic rotation sensor |
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1983
- 1983-02-15 KR KR1019830000610A patent/KR900008599B1/en not_active IP Right Cessation
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